《Science》17.3%!南開大學陳永勝團隊刷新一項世界紀錄

《Science》17.3%!南開大學陳永勝團隊刷新一項世界紀錄

南開新聞網訊(記者 吳軍輝)記者獲悉,南開大學化學學院陳永勝教授領銜的團隊在有機太陽能電池領域研究中獲突破性進展。他們設計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件,實現瞭17.3%的光電轉化效率,刷新瞭目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界最高紀錄。這一最新成果讓有機太陽能電池距離產業化更近一步。美國東部時間8月9日下午,介紹該研究的論文在線發表於國際頂級學術期刊《Science》上。

《Science》17.3%!南開大學陳永勝團隊刷新一項世界紀錄

有機太陽能電池的柔性特征和本工作主要結果

有機太陽能電池是解決環境污染、能源危機的有效途徑之一,其在質輕、柔軟、半透明、可大面積低成本印刷、環境友好等方面都遠遠優於傳統太陽能電池,被認為是具有重大產業前景的新一代綠色能源技術。然而,實現高效率的太陽能電能轉化是有機太陽能電池研究的核心難題。而這一難題能否解決也直接決定著有機太陽能電池能否走出實驗室、走進人類的實際生產生活。

《Science》17.3%!南開大學陳永勝團隊刷新一項世界紀錄

近年來,雖然有機太陽能電池研究獲得瞭迅猛發展,實現瞭14%~15%的光電轉化效率,但仍遠遠落後於其它主要以無機材料(如矽)為主的太陽能電池轉化效率。“主要原因在於,有機高分子材料本身較低的載流子遷移率限制瞭活性層厚度,因此太陽光不能夠獲得充分和有效的利用。”陳永勝說。

據介紹,疊層太陽能電池不僅可以克服上述難題,還可以充分發揮有機和高分子材料結構和性質優良的可調性特征,通過疊層電池中前後電池裡活性材料互補的光吸收,更有效地利用太陽光,從而實現更高的能量轉換效率。

陳永勝教授團隊與中科院國傢納米科學中心丁黎明教授華南理工大學葉軒立教授研究團隊合作,首先利用半經驗模型,從理論上預測瞭有機太陽能電池實際可以達到的最高效率和理想活性層材料的參數要求。在此基礎上,他們以在可見光區域和近紅外區域具有良好互補吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM分別作為前電池和後電池的活性層材料,采用成本低廉、與工業化生產兼容的溶液加工方法,制備得到瞭高效的有機太陽能墊層器件,獲得瞭17.3%的驗證效率

該團隊研究人員介紹,依據該工作提出的模型和設計原理,結合有機高分子材料結構的多樣性和可調性,通過對材料和器件的進一步優化,非常有望獲得和無機材料類似的能量轉化效率,從而為有機太陽能電池的產業化提供有力技術支撐。

“依據我們提出的半經驗模型預測,有機太陽能電池(墊層)的最高轉化效率理論上可以達到20%以上。本次工作中,我們同時也對電池的壽命進行瞭初步試驗,發現166天實驗後電池效率僅降低4%。未來,我們將繼續設計新的材料,在進一步提高能量轉化效率的同時,針對電池壽命問題進行系統的實驗,爭取讓有機太陽能電池早日從實驗室走向實際應用。”陳永勝說。

據瞭解,該研究得到瞭科技部、國傢自然科學基金委、天津市科委和南開大學的項目支持。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1126/science.aat2612

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